復(fù)雜系統(tǒng)突現(xiàn)的可預(yù)測性

本文討論了什么樣的問題，無論是可預(yù)測的還是不可預(yù)測的。那么,什么是突現(xiàn)呢?這也是一個有極大爭論的問題。不過對于我們這里要討論的問題來說,將突現(xiàn)定義為系統(tǒng)整體出現(xiàn)了其組成部分所不具有的性質(zhì)就已經(jīng)足夠了。問題的關(guān)鍵在于突現(xiàn)的不可預(yù)測性指的是什么,它是相對于什么條件來說是不可預(yù)測的,又相對于什么條件來說是可預(yù)測的,它在哪一些方面是不可預(yù)測的又在哪一些方面是可預(yù)測的。這里我們要區(qū)分三個問題:①一般現(xiàn)象的不可預(yù)測性和可預(yù)測性,這是關(guān)系到人們對現(xiàn)象所獲得的信息是否確定的問題。②突現(xiàn)現(xiàn)象的可預(yù)測性和不可預(yù)測性,這是關(guān)系到人們對于突現(xiàn)現(xiàn)象所獲得的信息在層次上是否完備的問題。③人類認識能力的界限問題,主要討論計算能力的極限問題。1自然的能力是充滿信心世界的一般現(xiàn)象是可預(yù)測的,還是不可預(yù)測的呢?對自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象進行預(yù)測或預(yù)言,從而認為世界的現(xiàn)象存在著可預(yù)測性,是人類一切科學(xué)與實踐活動的基礎(chǔ)。所謂科學(xué)定律的發(fā)現(xiàn),不過就是提出解釋現(xiàn)象的假說,然后從這一假說中演繹地預(yù)言一種現(xiàn)象。如果這種預(yù)言得到確認,人們便將這種假說提升為科學(xué)定律的地位。一切人類(甚至許多生物)的活動都是有目的的活動。這個“目的”本身就是對未來的一種預(yù)言,一種期待,如果它是完全不可預(yù)測的(unpredictable),則人們的一切行動都是盲目的,何來有目的的活動之可能呢?但是,由于種種客觀的不確定性和主觀認識能力的限制,許多自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象或這些現(xiàn)象的許多方面和特征是不可預(yù)測的,這是問題的另一個方面。在17、18世紀,由于牛頓力學(xué)的發(fā)展,人們對宏觀世界的機械運動的認識漸趨完善。于是決定論興起,科學(xué)家對于自然界的確定性和人類認識自然的能力是充滿信心的,這表現(xiàn)在拉普拉斯的決定論上。拉普拉斯說過:“我們把宇宙的現(xiàn)在狀態(tài)看作是它先前狀態(tài)的結(jié)果,隨后狀態(tài)的原因,暫時設(shè)想有一位超人的智力的神靈,它能夠知道某一瞬間施加于自然界的所有作用力以及自然界所有組成物各自的位置,并且能夠廣泛地分析這些數(shù)據(jù),那么它就可以把宇宙中最重物體和最輕的原子的運動,均納入同一公式之中。對于它,再也沒有什么事情是不確定的,未來和過去一樣,均呈現(xiàn)在它的眼前?！边@就等于說,過去和未來的一切都是精確地或確定性地可以預(yù)測的。不過情況遠沒有拉普拉斯表述得那么樂觀,他本人的這段話是在他的概率論一書的導(dǎo)論中寫的。他沒有注意到概率論本身依賴的是大數(shù)定律,這表明無數(shù)的單個粒子的狀態(tài)計算的合成是不可能的,至少在實用上是不可能的,他的預(yù)言充其量是概率性的預(yù)言,不是單個事件的預(yù)言。不過那時大多數(shù)科學(xué)家和哲學(xué)家認為,自然現(xiàn)象至少在原則上是可預(yù)測的,那些預(yù)測不到的現(xiàn)象和測不準的問題不過是人們認識水平局限而已。到了20世紀,這種決定論和完全可預(yù)測論(大家知道,波普爾正是以后者定義前者)是否能夠成立的狀況更加嚴峻。它遭受到科學(xué)給予的三大決定性的打擊。第一次打擊是在量子力學(xué)中,海森堡確立他的微觀現(xiàn)象的不可確定性原理(ThePrincipleofuncertaintyrelation,德文原名為DieUnbestimmtheistrelation應(yīng)譯為非決定性關(guān)系,舊譯為:“測不準原理”):Δp?Δq≥h4πΔp?Δq≥h4π。這個公式表明:你要準確地測定微觀客體動量p,就不能準確預(yù)測它的位置q,這里h為普朗克常數(shù)。這就是說,對于微觀世界的現(xiàn)象要完全預(yù)測是不可能的。因為它本質(zhì)上存在著不確定性。第二次打擊是普利高津耗散結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。耗散結(jié)構(gòu),它的具體構(gòu)型和形式是通過漲落、分叉而以事先不能預(yù)測的方式出現(xiàn)的,你不能事先預(yù)測貝納德對流層出現(xiàn)的是左旋還是右旋。這就是普利高津的宏觀層次的不確定性原理:“在宏觀層次上隨機性仍然是主要的”“量子力學(xué)在微觀層次上所發(fā)現(xiàn)的某些性質(zhì)(測不準關(guān)系)在宏觀層次上又出現(xiàn)了?！钡谌未驌羰?0世紀七八十年代非線性動力學(xué)對混沌現(xiàn)象的研究。證明即使是決定論的動力方程,盡管它沒有隨機項,但它所描述的現(xiàn)象的運動軌跡在進入奇異吸引子后對于動力方程來說是不可預(yù)測的。只要初始條件有微小的變化就會出現(xiàn)完全不相同的宏觀結(jié)果(蝴蝶效應(yīng))。因此經(jīng)典決定論徹底破產(chǎn)了。世界的一切現(xiàn)象無論自然現(xiàn)象還是社會現(xiàn)象,無論微觀現(xiàn)象還是宏觀現(xiàn)象,無論決定性現(xiàn)象還是隨機現(xiàn)象,都是不可以確定地預(yù)測的。這就是三個世界的不確定性原理:微觀世界不確定性原理,宏觀世界不確定原理和混沌世界不確定性原理。它們是復(fù)雜系統(tǒng)突現(xiàn)的不可預(yù)測性論題的基礎(chǔ)。2高層次突現(xiàn)性質(zhì)和突現(xiàn)機制的概念現(xiàn)在我們來討論突現(xiàn)現(xiàn)象的不可預(yù)測性是什么意思,我們現(xiàn)在討論的不是一般現(xiàn)象的不可預(yù)測性,而是作為整體的突現(xiàn)性質(zhì)對于作為它的組成部分的元素來說的不可預(yù)測性,它主要指的是下列兩項內(nèi)容或在下列兩個條件下的不可預(yù)測性:(1)我們從系統(tǒng)的組成元素,特別是復(fù)雜系統(tǒng)的組成元素的描述中,從這些組成元素的行為規(guī)律和相互關(guān)系的規(guī)律中,附加上這些元素和相互關(guān)系起作用的初始條件,也不可能準確地預(yù)言出突現(xiàn)現(xiàn)象及其規(guī)律。(2)這種預(yù)言推理所預(yù)言的某類的突現(xiàn)現(xiàn)象對于研究者來說是從來沒有出現(xiàn)過,或是他們所從來不知道的。這就是英國突現(xiàn)主義者摩根所說的“突現(xiàn)就是新關(guān)系的出現(xiàn)”,而“何謂新關(guān)系呢?我們的回答是在它們呈現(xiàn)為事實為我們所觀察到之前,或在它們出現(xiàn)之前,它們具有的性質(zhì)是不可能被我們預(yù)測到的。”設(shè)想我們暫時將微觀不確定性原理、宏觀不確定性原理和混沌不確定性原理擱置一旁,假定我們在某一低層次上已完全精確地描述了一個系統(tǒng)的組成元素的行為、規(guī)律及其初始條件,對于預(yù)測宏觀模式的突現(xiàn)來說,我們掌握的信息是完備的嗎?由此而導(dǎo)出預(yù)言的推論的前提是完備的嗎?不幸,這是不完備的。因為這些低層次的組成元素及其相互關(guān)系和初始條件的描述用的是一套低層次語言,低層次的觀察術(shù)語和理論概念與命題,在這里不存在那些“宏觀模式”的理論概念和構(gòu)型函數(shù)(configurationfunction)或模式函數(shù)(patternfunction)。即使這些突現(xiàn)模式的元素組合被推出或可以被推出,從低層次的角度看也會視而不見,聽而不聞。構(gòu)型函數(shù)或模式函數(shù)的概念在這里極為重要。設(shè)想一個能在太陽表面生活而完全沒有看到過或研究過地球上的宏觀物體的人,突然闖入你的住宅,他從里面走出來,你問他看到一些什么,他只能說,像太陽表面一樣,看到許多原子核、電子和其他基本粒子在空中飛舞,只不過飛舞的速度慢了許多。他能說出你的住宅里有樓上、樓下,有電燈、電話嗎?能說出房子里有床鋪、桌子、板凳嗎?不能!因為它沒有那個層次的構(gòu)型函數(shù)F2(x1)的概念1。這里x1是第1層次的事物,F2(x1)是某些x1所組成的第2層次的構(gòu)型。F2(x1)是要經(jīng)過對第2層次的事物進行經(jīng)驗研究的結(jié)果,它是對第2層次上的事物形態(tài)、種類、結(jié)構(gòu)進行獨立研究并進而對它們怎樣由第1層次組成的規(guī)律進行研究的結(jié)果,表明第2層次的經(jīng)驗與理論的獨立自主性。所以,我們當(dāng)然可以從化學(xué)反應(yīng)的堿基配對上預(yù)見出有個DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。但如果沒有“遺傳密碼”這個構(gòu)型函數(shù)的理論概念,以及它對觀察者所提出的要求,如辨別一個基因是否對應(yīng)一個生物宏觀性狀的觀察等等,我們又怎能從低層次元素及其相互關(guān)系中推出高層次的突現(xiàn)性質(zhì)和突現(xiàn)規(guī)律呢?我們可以從元胞自動機的各個元胞的“1”或“0”的兩個狀態(tài),以及它們依狀態(tài)變換的簡單規(guī)則,一步步模擬出有一些穩(wěn)定的元胞集團的元胞變化。但是我們根本就沒有“滑翔機”“太空船”“滑翔機槍”這些宏觀模式的類型概念或構(gòu)型函數(shù),我們又怎樣知道我們觀察到的元胞變化群就是這樣一種構(gòu)型函數(shù)的值呢?關(guān)于第i個層次上的構(gòu)型函數(shù)的概念(以下我們將它記作Fi)是與該層次的理論密切相關(guān)的,或者本身就是由該層次的理論建構(gòu)出來的,因而在該層次上的各種觀察就表現(xiàn)為該構(gòu)型函數(shù)的一個值。因此要預(yù)言地導(dǎo)出高層次突現(xiàn)性質(zhì)或模式P2,必須在前提中除表述元素性質(zhì)S1,元素之間相互關(guān)系的規(guī)律R1,初始條件C1之外,還要附加上高層次的理論概念和構(gòu)型函數(shù)F2才有可能,即:P2=f(S1,R1,C1,F2),或S1&R1&C1&F2(x1)┝P2。這里F2(x1)是從低層次描述的角度對高層次構(gòu)型函數(shù)F2識別認同(identify),即F2=F2(x1),這里等式左邊是右邊的簡寫。原則上,突現(xiàn)性質(zhì)P2是可以通過S1,R1,C1,F2這四項加以推出從而被預(yù)言的,但不幸的是這里已經(jīng)偷偷地將要在高層次才能觀察到的東西F2運到前提里面來2。如果不將它提前運進,從低層次的元素、相互關(guān)系以及初始條件是不可導(dǎo)出高層次的突現(xiàn)性質(zhì)的,英國突現(xiàn)主義者們相當(dāng)清楚這一點。所以一再強調(diào),我們不能從低層次的描述與觀察中導(dǎo)出或預(yù)言突現(xiàn)性質(zhì),“直至我們看到它們”,這是“粗糙的無情的經(jīng)驗事實強加給我們的”,盡管這種說法有點英國經(jīng)驗主義的色彩。突現(xiàn)的不可預(yù)測性顯然指的是對于我們來說,它的首次出現(xiàn),由于缺乏高層次的構(gòu)型函數(shù),它是不可預(yù)測的。至于它出現(xiàn)之后,并經(jīng)過反復(fù)出現(xiàn),人們便可將同類型的突現(xiàn)性質(zhì)出現(xiàn)的關(guān)系與條件總結(jié)為一種規(guī)律。這樣一來,不但可以解釋這些突現(xiàn)現(xiàn)象而且可以預(yù)言這種突現(xiàn)現(xiàn)象,甚至控制或預(yù)防某種突現(xiàn)現(xiàn)象。例如,心臟病的突然發(fā)作,泡沫經(jīng)濟的突現(xiàn)崩潰,經(jīng)濟危機的突然到來,世界大戰(zhàn)的突然爆發(fā)等等,都不是完全不可預(yù)測或完全不可預(yù)防的現(xiàn)象。所以高層次突現(xiàn)性質(zhì)對于低層次的不可預(yù)測性除了由于來自微觀、宏觀以及混沌的信息的不確定性之外,它主要是由于依此進行這種預(yù)測的信息在層次上的不完備性。自然界和社會生活是劃分層級的。我們的認識,只能局限于某幾個層次之內(nèi)收集信息和處理信息,這就叫做人們的認識受到“粗粒化”(coarsegraining)的限制。要了解一個人的心臟運作大概至多觀察和分析到細胞和大分子為止,沒有可能也沒有必要去探測其中的夸克的運作,當(dāng)然我們現(xiàn)在還不敢說這些夸克的活動對于心臟沒有影響。人類在任何時候了解一個具體現(xiàn)象總是設(shè)置了一些不可再分的東西和不可到達的邊界,就如同一張電子照片有它的像素一樣,在像素之下的東西無論你怎樣放大我們都不能做出任何識別。這就是層級的現(xiàn)象與“粗粒化”的現(xiàn)象。對于了解一個生態(tài)系統(tǒng),我們一般只收集有關(guān)該生態(tài)系統(tǒng)有哪一些物種的信息,以及這些物種之間的食物鏈關(guān)系的信息,處理這些信息以研究它們的相互關(guān)系的規(guī)律。至于更低的一些層次,如生物個體的器官、細胞以及大分子的變化就不在考察之列;而在高層次上我們應(yīng)該研究這個生態(tài)系統(tǒng)與其他生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系以及一般的氣候條件和地理條件對該生態(tài)系統(tǒng)的影響就已經(jīng)被認為比較完備的研究了,至于更高層次的變化,例如太陽黑子的活動,銀河系的活動等等,也不在考察之列,但這并不意味著我們所考察的現(xiàn)象與此沒有關(guān)系。這種考察方式,蓋爾曼稱為“粗?；?我們稱為層次的限制,由于這種層級研究的限制,在預(yù)言某種突現(xiàn)現(xiàn)象出現(xiàn)的具體情況時,我們所收集和處理的信息總是不充分的、不完備的。可見對于突現(xiàn)現(xiàn)象的不可預(yù)測性和可預(yù)測性方面,除了我們已談到的一般的原則之外,還有自己的特殊前提。當(dāng)我們說某個復(fù)雜系統(tǒng)的突現(xiàn)現(xiàn)象的不可預(yù)測性時,我們說的并不只是一般的不可預(yù)測性,而是指系統(tǒng)整體突現(xiàn)的現(xiàn)象、突現(xiàn)的模式相對于它的組成元素的性質(zhì)及其相互關(guān)系的規(guī)律來說的不可預(yù)測性。因此,突現(xiàn)的不可預(yù)測性的根源可以圖示如下:在圖1中,層次2的突現(xiàn)性質(zhì)是在所有層次上與此相關(guān)的事件的影響下形成的,它由所有的箭頭來表示。但從信息獲得的角度上看,從所有箭頭中得到的信息都是包含不確定性的。而要求僅從層次1的元素的行為(用實線箭頭來表示)來準確預(yù)測層次2上的突現(xiàn)性質(zhì)是雙重地不可能的,即從信息的不確定性上和信息的不完備性上看都是不可能的。總之,突現(xiàn)的不可預(yù)測性來自預(yù)測突現(xiàn)所需的信息的本身不確定性和信息在層次上的缺失。3計算極限、信息處理極限人們獲得信息的不完備性歸根結(jié)蒂是來自人們認識能力的局限。這集中表現(xiàn)在人腦以及人所發(fā)明的計算機系統(tǒng)計算能力的局限性上。計算機是一個物理系統(tǒng),物理學(xué)的規(guī)律是決定它能做什么和不能做什么。人腦雖然不是一個物理系統(tǒng),但它的運作不能違反物理規(guī)律。人和計算機的運作需要能量,根據(jù)量子力學(xué)的海森堡的不確定性關(guān)系式,能量可測量的精確度極限為:ΔΕ≥h/Δt(1)小于這個能量,計算機不能識別信號,不能計算信息?，F(xiàn)在假定計算機在處理信息時按能量E進行編碼,若ΔE將能量E區(qū)間[O,E]劃分為N個子區(qū)間,每個區(qū)間有0與1兩個狀態(tài),則該系統(tǒng)有2N個狀態(tài),其信息量為log22n=N比特,按以上的劃分,E最多能處理的信息為,N≤EΔEΝ≤EΔΕ。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式代入上式得其上限為:N=mc2Δt/h(2)現(xiàn)將普朗克常數(shù)h=6.625×10-27爾格·秒與光速c=3×1010厘米/秒代入上式,得N=1.36mΔt×1047這就相當(dāng)于當(dāng)年布萊曼(HansBremermann)所計得的數(shù)字(2×1047比特)。它被稱為計算極限或信息處理極限,布萊曼對這個極限的表述是:“不可能存在一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),無論生命的或人工的系統(tǒng)能夠每秒每克質(zhì)量可以處理超過2×1047比特的信息量?！碧煳膶W(xué)家估計地球質(zhì)量≤6×1027克地球誕生至今壽命≤1010年,一年≈3.14×107秒。這樣,根據(jù)布萊曼公式來推算,即使整個地球當(dāng)作一個大型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或一個大電腦,則自它誕生之日起至今所處理的數(shù)據(jù)量都無法超過1093比特被稱為布萊曼極限(Bremermann′sLimit)。一個問題,如果它的數(shù)據(jù)處理超過1093比特,則我們稱它為超計算問題(Trans.ComputationalProblem)。不要以為,布萊曼極限是很難達到的數(shù)字,事實上,我們?nèi)粘Ｉ钜幚淼脑S多問題都遠遠超出布萊曼極限。例如應(yīng)用數(shù)學(xué)中討論的旅行售貨員問題。設(shè)有n個城市,旅行售貨員必須走遍這些城市,他的可能路線有n!種,當(dāng)n≥?時,n!>1093?只要有40個城市,40!≈1099>1093。這已經(jīng)超出了布萊曼極限.至于指令性計劃經(jīng)濟需要事先統(tǒng)計所有人口的豐富多樣和千變?nèi)f化的需要,并根據(jù)這種需要分配給不同的工廠、企業(yè)來尋找和采購各種原材料和勞動力進行生產(chǎn)。這個信息的收集、處理與傳遞的過程,早已超出布萊曼極限,成為不可能的事。布萊曼極限的理論意義首先是個認識論問題,它說明人類認識是有限的。像愛因斯坦提出一個光椎問題(超過光速才能達到我們視野的世界是不可知的世界)一樣,布萊曼提出一個世界是不能超過1093比特的世界,“這就是我們的信息世界:超過這個信息世界就是不可知的。”所以,如果要預(yù)測超過我們計算極限的事物自然也就是不可能的。4不可預(yù)測的預(yù)測但是所謂“突現(xiàn)的不可預(yù)測性”并不表示對突現(xiàn)的現(xiàn)象完全的不可預(yù)測?，F(xiàn)在我們回到本文的出發(fā)點,一切科學(xué)的和實踐的活動,包括人們組織與管理活動都是建立在對現(xiàn)象的可預(yù)測的基礎(chǔ)上的,突現(xiàn)不但有不可